Simulation von Schweißverzügen bei der Schienenfahrzeug-Fertigung

Abstract

Schweißen ist aufgrund des kostengünstigen Verfahrens und der breiten Anwendungsmöglichkeiten ein weit verbreitetes Fügeverfahren, das unter anderem im Automobilbau, im Schiffbau und im Schienenfahrzeugbau angewendet wird. Schweißen verursacht jedoch auch Schweißverzüge, welche für die Fertigung hinsichtlich der Einhaltung von Toleranzen eine große Herausforderung darstellen. Generell kann die Entstehung des Schweißverzuges auf zwei Ursachen zurückgeführt werden; zum einen kommt es aufgrund der Wärmeeinbringung durch den Schweißprozess zu Wärmeausdehnungen und Schrumpfungen im Material, zum anderen kann eine fehlerhafte Positionierung der Fügeteile einen geometrischen Fehler verursachen. Um Kosten durch Ausschuss oder Nacharbeitung zu reduzieren, ist es Ziel dieser Arbeit, geeignete Methoden zu finden, mit welchen der Schweißverzug, hervorgerufen durch die Wärmeeinbringung, für große Bauteile, wie sie im Schienenfahrzeugbau vorkommen, simuliert werden kann, um darauf aufbauend den Schweißverzug zu reduzieren. Um einen Überblick zu verschaffen, wird in dieser Arbeit eingangs der Schweißprozess und die Entstehung des Schweißverzuges beschrieben. Anschließend werden die aktuellen Methoden zum Simulieren des Schweißprozesses vorgestellt und deren Vor- und Nachteile erläutert. Ausgewählte Methoden werden in weiterer Folge an einem Beispiel angewendet. Der Fokus liegt dabei auf der Modellierung und Implementierung der Methoden. Abschließend werden die Simulationsergebnisse dargestellt und interpretiert.

Due to it's reasonable costs and flexibility welding is a commonly used widespread joining technology that is used in several industries like automotive manufacture, shipbuilding and railway construction. Nevertheless welding also causes welding distortions, which lead to challenges for the production to meet tolerances. Generally the welding distortion has two causes. The first one is local expansion and shrinkage due to the heating and cooling from the welding process, the second one is misalignment of the welding parts. In order to reduce costs due to reworking or even rejection, the aim of this thesis is to find suitable methods to simulate the welding distortion, caused by the heating and cooling, for large structures. Based on the simulation the welding distortion should be reduced in the future. To provide an overview, the welding process and the creation of the welding distortion is described at the beginning of this thesis. Then the current methods, by which the welding process can be simulated, are presented and their advantages and disadvantages are explained. Selected methods are then applied to an example. The focus lies on the modelling and the implementation of the methods. Finally the simulation results are presented and discussed.